实验差动放大电路

d3b7

已经有些年头没有玩这种洞洞板了。放假有时间把最近看资料学习的电路搭出来练练手。差动(差分, differential)放大是典型的音频功放的输入级，我准备逐级把电路搭好，搭的时候测试性能。
能够测放大功能的就是单一的差动放大级(输入级)了，发射极用恒流源，集电极负载用电阻。输入是两个PNP管: 2SA1015, 自己测试挑选配好对的，外面包了铝片帮助热耦合。恒流源的管子也是 2SA1015。

背面用两个电阻作为基极偏置，临时的。

电路图


补充内容 (2014-10-4 21:52):
电路工作点测量：
电源电压是正负 16.5V
R1=2k, 上面电压降测得 1.163V, 对应恒流源电流 582 uA, 差动管子 Q2, Q3 各分得 291 uA (设计300uA)。
R3, R4 =33k, 测得电阻上压降都是 27.2mV, 基极偏置电流估算 0.824...

补充内容 (2014-10-4 21:53):
(接上) 0.824uA.  测两基极间电压 0.0mV (小于表的分辨率).
根据IE=0.29mA 计算跨导为 11mS，R5=2k, 则差动电压增益为 11 倍。

d3b7

为了测试放大能力，需要增加输入耦合电容等：

如图中 IN 端输入音频信号，经过 C2 耦合至 Q2 的基极。 信号输出从 Q2 的集电极负载电阻 R5 经过耦合电容 C3 取出。
C1是音频旁路，这样输入交流信号等效加在 Q2 Q3 两个差动管子的基极之间。

测试输入信号来自声卡, 1kHz正弦。用另一块音频采集卡测量输出：

倘若把Q2, Q3的发射极用一个大电容旁路到地，则差动放大工作被破坏，Q2变成单端动作，此时输出信号会变化：


单端工作下输出振幅变成差动时的2倍，而且2次谐波显著增大，可以看出波形的失真。
从FFT变换铺上看看失真的变化：

青色是单端，品红色是差动。因为差动时候两个管子VBE分摊了输入信号幅度，输入电压减半，首先输出幅度和失真都会降低。然后，由于差动对称性，偶次的谐波几乎消失了。可以看出2kHz, 4kHz信号能量衰减得很厉害。

lxa000

再调整下工作点~~~~~~~~~~

求知无足

试下这个电路

d3b7

求知无足 发表于 2014-10-4 21:30
试下这个电路

yes, 电流镜在后面会实验的。 现在为了测试差动放大级，就先用电阻做负载了。

szlz61

d3b7 发表于 2014-10-4 20:34
为了测试放大能力，需要增加输入耦合电容等：

如图中 IN 端输入音频信号，经过 C2 耦合至 Q2 的基极。 信 ...

支持继续试验。比那些凭空想些电路，不做验证就推出来并妄下结论的强多了。

d3b7

继续实验，增加一个最简单的电压放大级(Q4)，并把R4改接到Q4的集电极，构成电压反馈。这样整个电路的电压增益为1.
R7是Q4的负载，我用了4.7k，这样电压放大级的静态电流在3.5mA. 因为Q4基极接在Q2集电极后，破坏了原先的差动平衡，我把R5换成可调的，调整R5使Q2和Q3的静态电流相等。
C2是补偿电容，我随便用了个100pF。没有接C2时，电路有高频的振荡，导致测得音频的失真明显。

将Q3的基极用电容旁路到地，则放大器变成开环，反馈对交流信号不起作用，增益变得很大。对比以下1kHz的输出：
开环比闭环输出幅度大了69dB，因此开环增益 2800 倍，这是两级放大的效果。

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支持这类实验，关注中。

d3b7

将差动级的集电极负载换成电流镜像电路，就成这样：


测试开环时候的输出和输入信号：

1kHz处，开环增益为79dB，约9100倍，比前面的提高了10dB.

不过，测量直流工作点，发现差动管的电流并不相等。VBE也相差1.2mV. 原因是虽然使用了电流镜像，但是 Q2 比 Q3 的电流要大，因为 Q2 还需要提供额外的基极电流给 Q4, 这个电流是不经过电流镜像的。我按测量结果计算 Q2 比 Q3 多了12uA 电流，和Q4的集电极电流3.5mA比较，是合理的值。

d3b7

完整的放大器搭出来了：电压放大级后面是推挽射极输出器，用了4对管子并联输出，静态电流16mA*4，可以在甲类状态下满足32欧耳机的功率需求。

d3b7

paulsimons 发表于 2014-10-6 21:43
不知道这种FFT的频谱准确不？

准着呢。需要积累一段时间的稳定信号测量才有意义。不过，太小的信号有的是A/D或D/A自身的谐波造成，需要甄别。
FFT看的是数字信号，幅度 dBFS, 0dB对应满幅的正弦信号。和电压dBV有一个换算关系，取决于A/D转换的量程。
比如 16-bit 的采集卡/音频卡, 读出来的数字是 -32767~+32767, 如果满幅是 1V rms的话，峰值电压 +/- 1.414V，对应数值是 +/- 32767.  那么一个数字的跳变对应 2.828V/65535 = 43.16uV. 从数值范围上最大可以读取 0dB = 2.828V p-p 信号，最小可以读取 43.16uV p-p = -96.3dB.  这是理想的情况，没有噪声。
FFT的强大之处在于：可以在一片噪声中捕捉不能直接从波形上量出来的信号。比如 16-bit 的数据，检测 -120dB 的信号是常事。当然，也要考虑到A/D转换的模拟噪声本底的限制。

yang.fujiang

d3b7 发表于 2014-10-6 22:14
准着呢。需要积累一段时间的稳定信号测量才有意义。不过，太小的信号有的是A/D或D/A自身的谐波造成，需要 ...

差动放大电路的特点就是可以抑制噪音，减小放大电路的系统误差

e3po

paulsimons 发表于 2014-10-6 05:43
不知道这种FFT的频谱准确不？

         16bit 的垂直精度比示波器强太多了。

          万元以下的示波器找不到垂直精度 16bit 的。



         如果声卡/音频界面是 24bit 的， 那可以看到更多东西，  例如 Noise Floor 可以去到 sub uV 级。